DE102009009698B4

DE102009009698B4 - Verfahren zum augensicheren Betreiben eines gepulsten Störlasers in einem DIRCM-System

Info

Publication number: DE102009009698B4
Application number: DE102009009698A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Scherbarth
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Hensoldt Sensors GmbH
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2029-02-20
Also published as: EP2399148A1; DE102009009698A1; EP2399148B1; US8948591B2; WO2010094254A1; US20110311224A1

Abstract

Verfahren zum augensicheren Betreiben eines gepulsten Störlasers (1) in einem DIRCM-System (10) an Bord eines Luftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass
– mittels einer Empfangsvorrichtung (2) Echos der ausgesandten Pulse des Störlasers (1) empfangen und ausgewertet werden und ermittelt wird, ob sich ein Objekt (3) innerhalb einer vorgegebenen Lasersicherheitsentfernung des DIRCM-Systems (10) im Laserstrahl befindet,
– die Aussendung des Laserstrahls separat für jeweils eine Zeitspanne Δt innerhalb der Einsatzdauer des Störlasers freigegeben wird, wobei die Freigabe für die jeweils nachfolgende Zeitspanne Δt nur erfolgt, sofern innerhalb der jeweils vorhergehenden Zeitspanne Δt kein Objekt innerhalb der Lasersicherheitsentfernung gefunden wurde.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum augensicheren Betreiben eines gepulsten Störlasers in einem DIRCM-System an Bord eines Luftffahrzeugs
Militärische wie auch zunehmend zivile Luftfahrzeuge sind durch Angriffe von Boden-Luft Lenkflugkörpern (LFK) bedroht. Die am weitesten verbreiteten LFK sind die sogenannten MANPADS (Man portable air defense system) mit im infraroten Spektralbereich arbeitendem Suchkopf.
Eine mögliche Gegenmaßnahme ist das Aussenden gerichteter, mit einer geeigneten Störsequenz modulierten IR-Laserstrahlung gegen den anfliegenden LFK, um dessen Suchkopf zu stören und vom Ziel abzubringen. Solche Systeme werden als DIRCM-Systeme (DIRCM – Direct Infrared Counter Measures) bezeichnet und sind z. B. aus der DE 4402855A1 oder US 6369885B1 bekannt. Aus der WO2004/046750 A2 ist zum Beispiel ein DIRCM-System bekannt, das einen Suchlaser, welcher einen Laserstrahl zum Erfassen eines bedrohenden Flugkörpers und zusätzlich einen hochenergetischer Störlaser zum Bekämpfen des erfassten Flugkörpers verwendet.
Um wirksam zu sein, muss die vom DIRCM-System erzeugte Störstrahlungsintensität deutlich höher sein als die Infrarotabstrahlung des zu schützenden Flugzeuges. Die Verwendung zu geringer Störintensitäten ist kontraproduktiv, da es dem anfliegenden LFK die Zielverfolgung erleichtert.
Zur Erzeugung dieser Störstrahlung wird üblicherweise ein mit hoher Frequenz repetierender, gepulster Laser mit kurzen Einzelpulsdauern benutzt.
Die erforderlichen hohen Laserintensitäten führen zu einem Lasersicherheitsproblem. Der Augensicherheitsbereich eines DIRCM-Systems beträgt zum Beispiel gemäß der europäischen Laserschutzverordnung EN 60825-1 bis zu mehrere hundert Meter. Beim Betrieb des DIRCM-Systems muss daher sichergestellt werden, dass sich keine Personen ohne Laserschutz innerhalb dieser Lasersicherheitsentfernung aufhalten. Dies führt zu Zulassungs- und Nutzungseinschränkungen eines DIRCM-Systems gerade für Situationen wie Start und Landung, bei welchen die potentielle Bedrohung am höchsten, der Schutz durch ein DIRCM-System somit am wichtigsten ist.
Um die Einhaltung des vorgeschriebenen Lasersicherheitsbereichs sicherzustellen, sind Nutzungseinschränkungen unter Zuhilfenahme zusätzlicher Sensorik vorgesehen. So wird zum Beispiel gemäß dem Standard ANSI Z 136.6-2005 Kap. 4.2.7.2 und Kap. 10.5.9 (Laser Institute of America) der Laser ausgeschaltet, wenn die Flughöhe des Luftfahrzeuges niedriger als die NOHD (Nominal Ocular Hazard Distance) bzw. NOHD extended des Lasers ist. Die Flughöhe wird üblicherweise in Luftfahrzeugen durch einen Radarhöhenmesser bestimmt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass unterhalb einer dem NOHD bzw. dem NOHD extended entsprechenden Höhe kein Schutz des Luftfahrzeugs durch ein DIRCM gegeben ist – gerade dann, wenn die Bedrohung am größten ist.
Bei militärischen Anwendungen und Zulassungen liegt es in der Regel in der Verantwortung des Piloten, die Aktivierung des Lasersystem zu sperren, wenn er nicht ausschließen kann, dass Personen innerhalb des Lasersicherheitsbereichs gefährdet werden können. Diese Vorgehensweise ist jedoch für zivile Anwendungen und Zulassungen nicht akzeptabel. Da viele militärische Luftfahrzeuge mittlerweile auch zivil zugelassen und eingesetzt werden ist diese Vorgehensweise auch für militärische Luftfahrzeuge von großem Nachteil.
Aus dem Bereich der Laserentfernungsmesser wie auch der Laserfreifelddatenübertragung sind spezielle Methoden zur Absicherungen eines nicht augensicheren Laserstrahls bekannt:
In der US 6130754 A wird der nicht augensichere Laserstrahl durch einen zusätzlichen augensicheren Mantelstrahl umgeben. Treten Objekte in den Mantelstrahl ein wird dies an Hand der Rückreflexe detektiert und der nicht augensichere Strahl wird abgeschaltet. Diese Verfahren sind prinzipiell auf ein DIRCM-System übertragbar, haben jedoch den Nachteil, dass ein zweiter augensicherer Laserstrahl sowie die entsprechende Optik zur Einhüllung des nicht augensicheren Strahls und zum Empfang der Rückreflexe dieses Mantelstrahls erforderlich ist. Insgesamt ein erheblicher technischer Aufwand.
In der US 5837996 A wird vor Freigabe des nicht augensicheren Strahls an Hand des Rückreflexes eines augensicheren ”Testlasers” geprüft, ob sich kein Objekt, und damit auch kein Mensch, innerhalb der Laserschutzzone befindet. Diese Verfahren wäre für ein DIRCM-System nur einsetzbar, sofern der Testlaser sich außerhalb des vom Suchkopf des LFK gesehenen Spektralbereiches befindet. Anderenfalls wäre der gemäß der US 5837996 B1 schwächere Testlaser für die DIRCM-Anwendung schädlich, da er den Suchkopf bei der Zielerfassung unterstützt. Der Einsatz eines Testlasers in einem anderen Spektralbereich erfordert jedoch wiederum einen erheblichen technischen Aufwand.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches einen augensicheren Betrieb eines DIRCM-Systems ermöglicht, und zwar ohne sich daraus ergebende Nutzungsbeschränkungen des DIRCM-Systems, ohne schädliche Auswirkungen auf seine Funktion und mit möglichst geringem apparativen Aufwand.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Das abzusichernde DIRCM-System habe auf Grund seiner Optik und der für die Funktion erforderlichen Intensitäten eine vorgegebene Lasersicherheitsentfernung von einigen hundert Metern (z. B. NOHD extended gemäß der EN 60825-1) bei einer operationell erforderlichen Einsatzdauer des Lasers von mehreren Sekunden. Diese Lasersicherheitsentfernung wird im Folgenden ”originäre Lasersicherheitsentfernung” des DIRCM-Systems genannt.
Der Störlaser wird erfindungsgemäß mit einer zusätzlichen Sperrvorrichtung versehen, welche nach einer Zeitspanne ☐t die Aussendung der Laserstrahlung unterbinden kann. Diese Sperrvorrichtung kann über die bereits im DIRCM-System vorhanden Modulationseinrichtung des Laserstrahls wirken oder auch unabhängig davon, z. B. als mechanische Strahlblockierung realisiert sein.
Die Zeitspanne Δt wird so bemessen, dass die sich (z. B. gemäß EN 60825-1) aus der in dieser Zeit abgestrahlten Laserenergie ergebende Lasersicherheitsentfernung (im Folgenden ”reduzierte Lasersicherheitsentfernung” genannt) einen akzeptabel, geringen Wert annimmt.
Bei einem DIRCM-System ist es nicht möglich, Leistung der Störlaserstrahlung zu reduzieren, da dies zu erheblichen Beeinträchtigung der Funktion führen kann, bis hin zur Umkehrung der Funktion: Statt den anfliegenden LFK abzulenken wird er zum DIRCM System hingeführt. Daher ist der Störlaserstahl auch während der Zeitspanne Δt nicht augensicher. Auf Grund der Kürze von Δt ist jedoch die (z. B. gemäß EN 60825-1) resultierende reduzierte Lasersicherheitsentfernung deutlich kleiner als die originäre Lasersicherheitsentfernung, welche sich im Wesentlichen aus der für die DIRCM-Funktion erforderliche Lasereinsatzdauer von mehreren Sekunden ergibt.
Während der Zeitspanne Δt wird die Rückstreuung der Störlaserpulse zeitlich aufgelöst von einer Empfangsvorrichtung gemessen und gegebenenfalls aus der Laufzeit ermittelt, ob die Entfernung eines sich im Strahl des Störlasers befindliches Objekt geringer ist als die originäre Lasersicherheitsentfernung. Sofern während dieser Zeitspanne Δt keine Objekte innerhalb der originären Lasersicherheitsentfernung detektiert werden, so wird die Emission der Laserstrahlung wiederum lediglich für eine Zeitspanne Δt freigegeben, z. B., in dem der Zeitgeber der Sperrvorrichtung zurückgesetzt wird. Dieser Vorgang wird während der gesamten Einsatzdauer des DIRCM-Lasers wiederholt. Wird jedoch ein Objekt innerhalb der originären Lasersicherheitsentfernung während einer der aufeinanderfolgenden Zeitspannen Δt detektiert, so wird die Emission der Laserstrahlung am Ende der betreffenden Zeitspanne Δt, innerhalb welcher das Objekt detektiert wurde, abgebrochen.
Durch dieses Verfahren ist sichergestellt, dass bei Detektion eines Objektes im Laserstrahl innerhalb der originären Lasersicherheitsentfernung die Laserabstrahlung spätestens nach einer Zeitspanne Δt unterbunden wird. Das Objekt wird somit lediglich für maximal diese Zeitspanne Δt der Laserbestrahlung ausgesetzt. Das gesamte DIRCM-System ist somit mit Ausnahme des Bereichs innerhalb der reduzierten Lasersicherheitsentfernung augensicher. Diese von der Zeitspanne Δt bestimmte reduzierte Lasersicherheitsentfernung kann wesentlich geringer sein als die originäre Lasersicherheitsentfernung des DIRCM-Systems.
Die Größe von originärer und reduzierter Lasersicherheitsentfernung hängen beide von der optischen Auslegung des DIRCM-Systems ab, wobei die reduzierte Lasersicherheitsentfernung zusätzlich von der Länge der gewählten Zeitspanne Δt abhängt. In einer typischen Auslegung ergeben sich z. B. Werte von originärer Lasersicherheitsentfernung = 200 m, reduzierte Lasersicherheitsentfernung = 10 m und Δt = 0.1 s.
Durch die Einführung der – für eine Entfernungsmessung bis zu einigen hundert Metern – relativ großen Zeitspanne Δt wird erreicht, dass das eventuelle Vorhandensein von Objekten innerhalb der originären Lasersicherheitsentfernung im Laserstrahl mit hoher Zuverlässigkeit und vernachlässigbarer Fehldetektionsrate aus einer Vielzahl von Einzellaserpulsen bestimmt werden kann. Ein fehlerhaftes Ansprechen der Sperrvorrichtung wird somit vermieden.
Der verbleibende geringe Schutzbereich innerhalb der reduzierten Lasersicherheitsentfernung kann, wie bei Luftfahrzeugen z. B. zur Absicherung von Wetterradaren üblich, über einen ”Weight on Wheels” (WOW) Schalter abgesichert werden. Dieser sperrt die Laseremission, sobald das Fahrwerk des Luftfahrzeugs belastet wird, das Luftfahrzeug also am Boden ist. Die Laserausstrahlung ist somit durch den WOW-Schalter lediglich bei einem im Flug befindlichen Luftfahrzeug freigegeben. Auf Grund der geringen Größe der reduzierten Lasersicherheitsentfernung kann daher sicher ausgeschlossen werden, dass sich Personen im Laserschutzbereich befinden.
Eine Desaktivierung des DIRCM-Systems unterhalb einer Mindesthöhe ist somit nicht erforderlich. Das erfindungsgemäß ausgestattete DIRCM-System weist somit keine durch die Lasersicherheit bedingten Nutzungseinschränkungen auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt auch dazu, dass ein anfliegender LFK die Sperrung der Laseremission auslöst, sofern er näher als die originäre Lasersicherheitsentfernung zum Luftfahrzeug ist. Die Bekämpfung dieses LFK wird somit nach der Zeitspanne Δt, nachdem der LFK die originäre Lasersicherheitsentfernung unterschritten hat, abgebrochen. Da bei den resultierenden kurzen Abständen eine Bekämpfung des LFK mit Infrarot-Störstrahlung praktisch nicht wirksam ist, führt dies jedoch zu keiner relevanten Funktionseinschränkung des erfindungsgemäß gesicherten DIRCM Systems.
Da ohne Ansprechen des Sperrmechanismus keinerlei Änderung der Ausstrahlintensität und der Modulation des Störlasers vorgenommen wird, liegen auch hier keinerlei Funktionseinschränkungen des erfindungsgemäß gesicherten DIRCM-Systems vor.
Die Zeitspanne Δt kann fest vorgegeben werden. In einer alternativen Ausführung wird die Zeitspanne Δt, während der der Laser jeweils freigegeben ist, jedoch fortlaufend aus der Modulation der Störstrahlung so bestimmt, dass ein fest vorgegebener Wert für die reduzierte Lasersicherheitsentfernung innerhalb der Zeitspanne Δt nicht überschritten wird. Hierdurch kann je nach tatsächlicher Modulation (hier ist insbesondere das An/Aus-Verhältnis des Lasers von Bedeutung) des Störlasers eventuell ein höherer Wert für die Zeitspanne Δt verwendet werden, was zu einer Verbesserung der Fehlauslösungsrate des Schutzmechanismus führt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird die originäre Lasersicherheitsentfernung, bis zu der eine Objektdetektion zur Auslösung des Sperrmechanismus führt, nicht fest eingestellt, sondern jeweils aus der bereits vergangenen Emmisionsdauer des Störlaserstrahls innerhalb der letzten 10 Sekunden bestimmt. Gemäß der EN 60825-1 nimmt für ein DIRCM-System die originäre Lasersicherheitsentfernung mit der Bestrahlungsdauer zu, wobei maximal eine Bestrahlung von 10 s zu berücksichtigen ist. Die momentane originäre Lasersicherheitsentfernung ist somit nach z. B. 1 s deutlich kürzer als z. B. nach 5 s Lasereinsatzdauer. Somit genügt es, das Vorhandensein von Objekten innerhalb der jeweils aktuellen Lasersicherheitsentfernung zu überprüfen. Dies führt wiederum zu einer Verbesserung der Fehlauslösungsrate wie auch zu einer kleineren nutzbaren Mindestbekämpfungsentfernung.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Figur näher erläutert. Die Figur zeigt in schematischer Darstellung die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens relevanten Komponenten eines DIRCM-Systems 10.
Es umfasst den gepulsten Störlaser 1 zur Bekämpfung eines anfliegenden LFK. Eine Empfangseinrichtung 2 empfängt die Rückstreuung der ausgesandten Laserstrahlung und wertet diese aus. Dabei wird die Entfernung des die Rückstreuung verursachenden Objekts 3 gemessen. Die mit dem Störlaser 1 gekoppelte Sperrvorrichtung 4 gibt die Abstrahlung der Laserenergie nur für jeweils eine Zeitspanne Δt frei. Eine Freigabe für die nachfolgende Zeitspanne erfolgt nur dann, wenn die Empfangseinrichtung 2 innerhalb der originären Lasersicherheitsentfernung während der aktuellen Zeitspanne Δt kein Objekt detektiert. Andernfalls wird am Ende der aktuellen Zeitspanne Δt die Aussendung der Laserstrahlung unterdrückt.
Die Sperrvorrichtung 4 wirkt gemäß der in der Figur gezeigten Ausführung, in dem sie auf die Modulationseinrichtung des Laserstrahls einwirkt (DIRCM-Steuerrechner 5). Alternativ kann die Sperrvorrichtung auch als mechanische Strahlblockierung realisiert werden.

Claims

Verfahren zum augensicheren Betreiben eines gepulsten Störlasers (1) in einem DIRCM-System (10) an Bord eines Luftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass – mittels einer Empfangsvorrichtung (2) Echos der ausgesandten Pulse des Störlasers (1) empfangen und ausgewertet werden und ermittelt wird, ob sich ein Objekt (3) innerhalb einer vorgegebenen Lasersicherheitsentfernung des DIRCM-Systems (10) im Laserstrahl befindet, – die Aussendung des Laserstrahls separat für jeweils eine Zeitspanne Δt innerhalb der Einsatzdauer des Störlasers freigegeben wird, wobei die Freigabe für die jeweils nachfolgende Zeitspanne Δt nur erfolgt, sofern innerhalb der jeweils vorhergehenden Zeitspanne Δt kein Objekt innerhalb der Lasersicherheitsentfernung gefunden wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne Δt fortlaufend aus der vom DIRCM-System generierten Modulation des Störlaserstrahles bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne Δt fest vorgegeben ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausstrahlung des Lasers unabhängig von dem Vorhandensein eines Objekts innerhalb der Lasersicherheitsentfernung in jedem Fall verhindert wird, sofern der ”Weight on Wheels” Schalter des Luftfahrzeugs anzeigt, dass sich das Luftfahrzeug am Boden befindet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasersicherheitsentfernung fortlaufend aus der Einsatzdauer des Störlasers innerhalb der letzten 10 Sekunden bestimmt wird.